基于對等網(wǎng)絡的醫(yī)學影像服務系統(tǒng)通訊平臺設計與應用

摘要：通過建立醫(yī)學影像時等網(wǎng)絡通訊平臺，以便于研究對等網(wǎng)絡在各醫(yī)學影像服務中的應用，描述了其組織結構設計與節(jié)點管理，闡述了對等節(jié)點間在不同區(qū)域建立通訊連接的方法，通過遠程在線會診為實例，把醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡通訊平臺的使用方法進行了詳細的介紹。
關鍵詞：醫(yī)學影像；對等網(wǎng)絡；通訊平臺；設計；傳輸；計算

醫(yī)學影像服務系統(tǒng)擁有很強的可擴展性，并能滿足社會對醫(yī)學影像應用的不同需求，由于醫(yī)學影像的數(shù)據(jù)量大，計算量也很大，因此醫(yī)學影像要建立高性能服務系統(tǒng)的關鍵是提高醫(yī)學影像的計算速度與傳輸速度。但是投資高性能的計算機設備與網(wǎng)絡設備，不但要投入大量的資金，同時也會引起資源浪費。然而對等兩絡的建立，不但能把網(wǎng)絡中閑置的資源進行有效的利用和組織，還能很好的應用共享計算，搜索引擎，分布式存儲等。因此文中為了便于研究對等網(wǎng)絡在各種醫(yī)學影像服務中的應用，特建立了一個醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡通訊平臺。以便運用對等網(wǎng)絡技術，解決在醫(yī)學影像服務系統(tǒng)建設中所遇到的各種問題。

1 對等網(wǎng)絡的組織結構設計
醫(yī)學影像網(wǎng)絡建設首先要考慮其安全性、可靠性和穩(wěn)定性。由于它是一種特殊的網(wǎng)絡。它連接著各個醫(yī)院的影像系統(tǒng)，各醫(yī)院內部有很多獨立的子網(wǎng)絡構成，它在網(wǎng)絡上的運用都與醫(yī)學相關。按照網(wǎng)絡組織結構的特點和分類可以看出：純分散式的網(wǎng)絡結構雖然能滿足安全性和穩(wěn)定性的要求，但是不能滿足其可靠性的要求。因其在節(jié)點的發(fā)現(xiàn)與管理方面還有很大的難度，集中目錄式的網(wǎng)絡結構隨著使用范圍的不同其在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面也不一樣。當把醫(yī)學影像服務系統(tǒng)的應用范圍縮小到一個醫(yī)院時，隨著節(jié)點規(guī)模的縮小，不但容易發(fā)現(xiàn)和管理節(jié)點，同時還能滿足安全性、可靠性與穩(wěn)定性的需要，當把應用范圍擴大到多個醫(yī)院時，集中目錄式的網(wǎng)絡結構會因其節(jié)點規(guī)模的迅速擴大，中心服務器的負擔增加而受到嚴重的影響。文中通過對網(wǎng)絡組織結構的特點和分類的分折引入了超級節(jié)點，提出了混合式的網(wǎng)絡結構，如圖1所示，以便減輕中心服務器負擔，從而大大提高網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

圖1是對醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡組織結構的描述，由圖可知，對節(jié)點的管理除了中心服務器以外，各醫(yī)院內部也有一個超級節(jié)點負責對節(jié)點的管理。也可由超級節(jié)點組織產生集中目錄式的對等網(wǎng)絡，而不需要外部中心服務器的參與。因此，除了在醫(yī)院間建立對等通訊，需要中心服務器的參與外；若只是組建院內的對等通訊時，可直接由超級節(jié)點建立連接即可，而不需要中心服務器的參與。由此可知，醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡組織結構不但提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，通過超級節(jié)點的建立既能有效降低服務器的負擔，還保持了容易管理和發(fā)現(xiàn)節(jié)點的優(yōu)勢，滿足了醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡的需求。

2 網(wǎng)絡節(jié)點的管理
對等網(wǎng)絡節(jié)點管理是建設醫(yī)學影像對等網(wǎng)絡通訊平臺的一項重要內容。它的好壞將會影響對等網(wǎng)絡的可靠性，它包括節(jié)點的加入處理、退出處理與相互發(fā)現(xiàn)處理。
2．1 節(jié)點的加入
節(jié)點加入是在網(wǎng)絡中某個節(jié)點連接到網(wǎng)絡的過程，主要包括節(jié)點的索引列表更新、接入請求和新節(jié)點的加入通知3個方面。
1)節(jié)點的接入請求方面，新的節(jié)點應和哪一個超級節(jié)點相連是首先要確定的，本文采用的做法是：
①節(jié)點首次連接上網(wǎng)絡的情況下，中心服務器首先連接上節(jié)點，且節(jié)點通過中心服務器的選擇作用而轉接到最理想的超級節(jié)點上(大多是在相同的醫(yī)院內)，節(jié)點成功連接上超級節(jié)點以后，節(jié)點就可以把超級節(jié)點上的網(wǎng)絡信息記錄下來。
②再次當節(jié)點接入網(wǎng)絡時，中心服務器將不再參與，而是直接連到最近一次連接的超級節(jié)點。
③采用人為的方法以保證其有效性和穩(wěn)定性，既保證該節(jié)點在線，同時還有不變的IP地址，通訊端口等網(wǎng)絡信息。
2)節(jié)點在索引列表更新和新節(jié)點的加入通知方面主要的處理內容有：
①若對等通訊只在院內使用時，只要把超級節(jié)點上的節(jié)點索引列表進行更新即可，若收到新節(jié)點的連接請求時，把新節(jié)點的網(wǎng)絡信息加入到節(jié)點的索引列表中，并把新節(jié)點的加入通知發(fā)送給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。
②若醫(yī)院之間發(fā)生對等通訊時，不僅要更新本院的超級節(jié)點的節(jié)點列表，還要把節(jié)點的加入通知發(fā)送到中心服務器，并由它發(fā)送給參與對等通訊的其他各個醫(yī)院的超級節(jié)點，節(jié)點的加入任務由各個超級節(jié)點分別進行處理。
2. 2 點退出
節(jié)點的退出包含兩個方面：即正常退出與異常退出。在節(jié)點正常退出時，它是由節(jié)點自身送退出通知到超級節(jié)點，并由超級節(jié)點實施節(jié)點退出任務；若異常退出時，在節(jié)點還未發(fā)出退出通知時就已經(jīng)失效了，這時各個節(jié)點的狀態(tài)由超級節(jié)點負責進行檢測。
不管節(jié)點是異常退出還是正常退出，節(jié)點的退出處理都是由超級節(jié)點來執(zhí)行的，主要有：
1)若只是在院內進行對等通訊的話，僅僅將超級節(jié)點里的索引列表做更新就可以了，在檢測到有節(jié)點退出的情況下，只需要移除節(jié)點索引列表中的該節(jié)點的網(wǎng)絡信息，并把節(jié)點的退出通知發(fā)送給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。
2)若醫(yī)院間發(fā)生對等通訊的話，不但需要對本院的超級節(jié)點的節(jié)點連接做出更新，與此同時還需要保證中心服務器能夠接收到節(jié)點的退出通知，并由它發(fā)送給參與對等通訊的其他各個醫(yī)院的超級節(jié)點，節(jié)點的退出任務由各個超級節(jié)點分別進行處理。
2．3 節(jié)點發(fā)現(xiàn)
當節(jié)點執(zhí)行對等傳輸任務或者執(zhí)行計算任務的情況下節(jié)點對整個網(wǎng)絡里另外的可以使用的對等節(jié)點做的搜索過程稱為節(jié)點發(fā)現(xiàn)。
因為運用混合式網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)的管理與維護是由超級節(jié)點與中心服務器來執(zhí)行的，所以節(jié)點的發(fā)現(xiàn)就比較容易，它有只執(zhí)行醫(yī)院內和只執(zhí)行醫(yī)院間對等任務兩種情況。

3 網(wǎng)絡節(jié)點的直接通訊方法
因IPv4地址的空間有限，為解決這一問題，網(wǎng)絡中采用了NAT的設備，它是通過共享少數(shù)的公網(wǎng)IP地址把私網(wǎng)IP地址的主機連接到公共網(wǎng)絡，但這也大大增加了對等網(wǎng)絡通訊的難度，容易引起處在不同區(qū)域的主機不能直接通訊。實際上目前大多數(shù)的NAT設備不但兼容了隔離與保護的防火墻的作用，還有地址轉換的作用。
3．1 常見的網(wǎng)絡節(jié)點之間的區(qū)域關系
網(wǎng)絡里兩個節(jié)點相對于NAI設備的通訊關系就是網(wǎng)絡節(jié)點間的區(qū)域關系，一般有下面5種情況：
1)兩個節(jié)點都有公網(wǎng)的IP地址：它們可通過各自的端口和公網(wǎng)IP直接進行相互訪問，兩節(jié)點之間沒有任何NAT設備。
2)兩個節(jié)點中一個有公網(wǎng)的IP地址，另一個在NAT后面，peer1節(jié)點有公網(wǎng)的端口與IP，Peer2節(jié)點擁有私網(wǎng)的端口和IP，它在NAT之后，若Peer2訪同公網(wǎng)時，則由NAT轉換成公網(wǎng)的端口與IP。因為NAT擁有保護隔離的作用，因此peer2可直接訪問Peer1，但是Peer1不能直接訪問Peer2。
3)兩節(jié)點在不同NAT的后面，其中NATI在Peer1的前面，Peer2在NAT2的后面，在訪問公網(wǎng)時，它們都是經(jīng)過NAT來轉換端口和IP地址的，并受NAT的保護與隔離，所以兩者之間不能直接相互訪問。
4)兩節(jié)點在相同的NAT的后面。IP地址與端口則由同一個NAT進行轉換，轉換后雖然它們的端口不一樣，但是它們擁有相同的公網(wǎng)IP。NAT如果支持回環(huán)映射的話，那么通過NAT轉換后的公網(wǎng)端口與IP兩節(jié)點可互相訪問。實際上，由于兩節(jié)點處在相同的內網(wǎng)，它們不需要NAT的參與，通過各自的私網(wǎng)端口與IP可直接進行訪問。